電磁流量計電極粗糙度對測量影響-江蘇省孝感尼蓝纺织制造有限责任公司(AI智能站)

摘要:用于(yú)高雷諾數(shu)流體測量(liang)的電磁流(liú)量計 ，其傳(chuan)感器測量(liàng)電極的表(biao)面粗糙度(du)将會對電(diàn)極附💯近的(de)流場産生(sheng)影響。根據(jù)電磁流量(liang)傳感器的(de)權重函數(shu)👣理論可知(zhī),電極附近(jìn)流場的變(bian)化将極大(dà)的影響電(diàn)磁流量計(jì)的測量信(xìn)号,導💚緻測(cè)量結果産(chǎn)生誤差。該(gai)文提出了(le)一種使電(dian)磁流量傳(chuán)感器測量(liàng)電極💞的表(biao)面粗糙度(du)不影響流(liú)場的方法(fa),首先應用(yong)CFD方法分析(xī)了測量電(diàn)極粗糙度(du)對流♉場的(de)影響,然後(hou)用權重函(hán)數理論分(fèn)析了測量(liàng)誤差産生(sheng)的原因,提(ti)出了對電(diàn)磁流量傳(chuan)感器的結(jie)構改造方(fang)案,最後通(tōng)過流場仿(páng)真驗證了(le)改造方案(an)的可行性(xìng)。結果表明(míng),該文提出(chū)的方法可(ke)以很好的(de)解決測量(liàng)電極表面(mian)粗糙度造(zao)成的測量(liàng)誤差問題(ti)🈚。
0引言
　　電磁(ci)流量傳感(gan)器在測量(liang)高流速流(liu)體時,測量(liang)管道内流(liu)體的雷諾(nuo)數很高,流(liú)體流動呈(chéng)現爲湍流(liú)狀态，在湍(tuān)流狀态下(xià)流場的邊(biān)緣部分即(jí)靠近管壁(bi)和電極部(bù)分的流體(tǐ),有一部分(fen)不參與運(yùn)動,這部分(fèn)流體叫做(zuo)黏性底層(ceng)中。黏📞性底(di)層的厚度(dù)與流體雷(lei)諾數🈚有關(guān),雷諾數越(yuè)大,則黏性(xing)底層的厚(hòu)度越小，當(dang)其厚度小(xiao)于電極的(de)粗糙度時(shi),流體流過(guo)電極,受粗(cu)糙度影響(xiǎng),電極附近(jìn)的流場将(jiang)會改變,并(bing)且會産生(sheng)旋渦，出現(xian)各個方向(xiang)的流速分(fen)量,和軸向(xiàng)方向相或(huo)相反💚附加(jiā)的流速分(fen)量傳遞到(dào)電極上将(jiang)形成流速(su)噪聲,疊加(jia)到測量的(de)流速中。根(gen)據權重函(han)數理論[2-4]可(kě)以知道,測(ce)量電極附(fù)近流場的(de)權重函數(shù)值很大，這(zhe)部分👌流場(chǎng)即使微小(xiǎo)的改變也(yě)将對電✍️磁(ci)流量傳感(gǎn)器的測量(liang)結果🌈造成(cheng)很大的誤(wu)差[5]。爲了避(bi)免這種誤(wù)差的産生(sheng),就必須使(shǐ)電極的粗(cū)糙度小于(yu)黏性底層(ceng)的厚🥵度,這(zhè)樣對生産(chǎn)工藝🍉的要(yao)求會📧提高(gāo),增㊙️加生産(chan)成本;并且(qie)測量電極(jí)持續受到(dao)流體中微(wei)小固體顆(ke)粒的撞擊(jī),表面粗♌糙(cāo)度不可避(bì)免的🔞會增(zeng)大。文獻🌈[6]對(dui)電磁流量(liang)傳感器的(de)電極材料(liao)、使用範圍(wéi)💋及各種電(diàn)極形狀在(zai)不同應用(yòng)場合的電(dian)磁流量傳(chuan)感器上的(de)選用✏️與安(an)裝做了總(zǒng)結,列出了(le)測量電極(ji)的常用材(cái)料與各種(zhǒng)材料.形狀(zhuàng)電極的應(ying)用特點和(hé)應用場合(hé)，表明測量(liang)電極的表(biǎo)面粗糙度(dù)🈲是客觀存(cun)在的,然而(er)文獻☁️未提(tí)及電極表(biao)面粗糙度(du)對測量的(de)影響。文獻(xiàn)[7]對電🥵磁流(liú)量傳感器(qì)測量電極(ji)與絕緣襯(chèn)裏的粗糙(cao)度對測量(liang)的影🌈響做(zuò)了研究，通(tōng)過在試驗(yan)中發現當(dāng)雷諾數達(da)到某--高度(du),測量🚩會🍓出(chu)現一個上(shang)升的誤差(chà)拐點，在此(cǐ)基礎上應(ying)✔️用測量管(guan)的粗♋糙度(dù)與邊界層(céng)厚度的關(guan)系，基于電(diàn)礅流量傳(chuan)感器感應(yīng)電🔞勢的權(quan)重函數理(li)論,解釋了(le)這是一種(zhǒng)流速噪聲(sheng)所引起的(de)現象,并由(yóu)此得出降(jiang)低此類噪(zao)聲，需要在(zai)制造技術(shù)上提高💰傳(chuán)感器測🤞量(liang)管襯裏和(hé)電極粗糙(cāo)度的結論(lun)🤟,但并🤟沒有(yǒu)給出具體(tǐ)的解🌂決方(fāng)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼案。國内現(xian)有一些研(yan)究[8-9]提出采(cǎi)用多電極(jí)的方法可(ke)以提高電(dian)磁流量計(ji)的測量精(jing)🙇‍♀️度,這類方(fang)法雖然也(ye)可以降低(di)噪聲,但是(shi)由于電極(jí)的增加,是(shi)電磁流量(liang)計的結構(gòu)變的更爲(wei)複雜😘，且會(hui)提高電🎯磁(cí)流量計的(de)生産成本(ben)。現有相關(guān)文獻并未(wèi)提及用改(gai)造傳感器(qi)結構的方(fāng)法來克服(fu)測量電極(jí)表面粗糙(cāo)度造成的(de)測量誤差(cha)問🌏題。該文(wén)提出了一(yi)種方法:通(tong)過改造測(ce)量電極附(fu)近的電磁(cí)流量✏️傳感(gan)器結構，使(shi)測量管道(dao)内的流場(chǎng)不受測量(liàng)電極表面(miàn)粗糙度的(de)影響,從而(er)實現避免(miǎn)測量電極(jí)表面🐕粗糙(cāo)度引起測(cè)量誤.差的(de)目的。
1電極(ji)表面粗糙(cāo)度對電磁(ci)流量傳感(gan)器測量的(de)影響
　　電極(jí)表面粗糙(cao)度對電磁(cí)流量傳感(gǎn)器測量的(de)造成的影(ying)響,可🈲以用(yòng)CFD方法和電(dian)磁流量傳(chuán)感器的權(quan)重函數[2]理(lǐ)論解釋。
　　在(zai)電磁流量(liàng)傳感器測(cè)量電極爲(wèi)理想光滑(hua)材料的情(qing)況下,應🏃用(yòng)⛱️CFD方法對電(diàn)磁流量計(ji)管道流場(chang)進行分析(xi),對于流動(dong)數🐕學模型(xíng)的建立,需(xu)要有以下(xia)條件:
1)流體(tǐ)爲連續不(bu)可壓縮流(liu)體,物理特(tè)性爲常數(shu)。
2)流體無相(xiàng)變,同時不(bu)考慮場中(zhōng)的空化現(xian)象。流體的(de)湍🐕流流動(dòng)可💜以應用(yòng)RNGk-ε湍流模型(xíng)[0]描述。把RNG方(fang)法"用于N-S方(fang)程,并引入(ru)湍流✏️動能(néng)k和耗散率(lǜ)ε,可以得到(dào)以下模型(xíng):

典型值,通(tōng)常η0=4.38,其他常(chang)數的取值(zhí)爲:cu=0.085，β=0.012c由于針(zhēn)對高雷諾(nuo)✨數流體仿(páng)真，邊界條(tiáo)件設定如(ru)下:電磁流(liú)量傳感器(qi)測量管道(dao)直徑🌂爲60mm;測(cè)量電極直(zhí)徑爲20mm;由于(yu)電磁流量(liang)計的安裝(zhuāng)位置前後(hòu)有直管段(duàn)🥰長度要☎️求(qiu),因此,測量(liang)管道長度(du)設爲1000mm;流體(tǐ)介質爲水(shui)📞;測量管道(dao)入口的平(ping)均流速爲(wei)5m/s;設👣定流體(ti)的運📧動粘(zhan)度爲1.0×10-6m2/s。根據(ju)管道流體(ti)雷諾數計(ji)算公式[1,13]

其(qi)中，Us是管道(dao)内流體的(de)平均流速(su);D是管道直(zhí)徑;μo是流體(tǐ)的運動黏(nian)度。
　　根據公(gōng)式(4)可計算(suàn)出流體雷(léi)諾數Re=300000,管道(dào)内流體的(de)運動狀💁态(tài)根據雷諾(nuò)數判别,據(ju)此可知此(ci)時管道内(nèi)流體運動(dòng)狀态爲湍(tuan)流運動。應(yīng)用Comsol對電磁(ci)流量計傳(chuán)感💃🏻器的測(cè)量管道☀️内(nèi)流場進行(hang)CFD數值仿真(zhen),流場雲圖(tú)如圖1所示(shì);對電極附(fu)近流場分(fen)布雲圖放(fang)大如圖2所(suo)示。
　　由圖2可(kě)以看出,在(zai)管道流體(tǐ)平均流速(su)爲5m/s時,靠近(jin)管壁🔅和電(diàn)✊極附近的(de)部分流場(chǎng)流速極小(xiao)，這部分即(ji)爲黏性底(di)層。

在管道(dao)模型中，對(dui)測量電極(jí)部分設定(dìng)表面粗糙(cao)度,且粗糙(cao)度大🈲于黏(nián)性底層厚(hòu)度,如圖3所(suǒ)示。

　　由圖3可(ke)以看出,此(ci)時黏性底(dǐ)層厚度小(xiao)于粗糙度(dù),對比圖2,可(ke)知流場受(shou)粗糙度的(de)影響,在電(diàn)極附近的(de)分布有了(le)明顯的不(bu)同。
　　根據電(diàn)磁流量傳(chuan)感器的權(quán)重函數理(li)論可以分(fen)析測量電(dian)極表面粗(cū)糙度對測(cè)量的影響(xiang)。SHERCLIFFJA在1962年對電(diàn)磁流量🧑🏽‍🤝‍🧑🏻傳(chuan)感器進行(háng)了研究，提(tí)出了電磁(cí)流量傳感(gǎn)器的權重(zhong)函數理論(lùn)[2]:在工作磁(cí)場中,電磁(cí)流量傳感(gǎn)器測量管(guǎn)道内的所(suǒ)有流體微(wei)元切割磁(cí)感線都将(jiāng)産生感應(ying)電動勢,測(ce)量管内的(de)不同位置(zhi)流體微元(yuán)切割磁感(gǎn)線産生的(de)感應電動(dong)勢對測量(liàng)電極上拾(shí)取到的反(fǎn)映電磁流(liú)🏃🏻‍♂️量傳感器(qi)測量管道(dào)内流速信(xìn)号的貢獻(xiàn)不一樣,權(quan)重函數則(zé)可以表明(ming)此貢獻能(neng)力🛀的大小(xiǎo)。SHERCLIFF給出了電(dian)磁流🈚量傳(chuan)感器的二(er)維權重函(hán)數表達式(shì):

　　其中，W爲權(quan)重函數;R爲(wèi)管道半徑(jìng);x和y爲包含(hán)電極的管(guǎn)道截面二(èr)維平面坐(zuo)标。由此可(ke)得電磁流(liu)量傳感器(qi)二維權重(zhong)函數分布(bu)😍，如圖42]所示(shi)。
　　根據圖4.上(shàng)權重函數(shu)各點數值(zhi)可以看出(chū),在圓.心處(chu)W=1,在圓🌈周處(chù)🍉W減小到0.5,而(ér)靠近電極(ji)附近W很大(dà),電極處的(de)權重函數(shù)W的值接近(jin)爲∞'c顯然,權(quan)重函數W表(biǎo)示在工作(zuo)磁場在測(cè)量管👉道區(qu)域内,任何(he)微小流✏️體(tǐ)微元切割(ge)磁感線所(suo)産生的感(gan)應電.勢對(dui)兩電極信(xìn)号的貢獻(xian)🔆大小，越靠(kào)近電極處(chu)的權重函(hán)數值越大(da)。根據前述(shù)分析，由于(yú)測量電極(jí)表面粗糙(cāo)😘度使靠近(jìn)電極處的(de)流場發生(shēng)了改變🔞,而(er)測量電極(ji)附近的權(quan)重函數值(zhí)又遠大于(yu)管道其他(tā)🐇部分的權(quan)重函數值(zhi)，這樣電磁(cí)流量計的(de)㊙️測量信号(hào)就會産生(sheng)很大的誤(wu)差。
電磁流(liu)量計流量(liang)傳感器的(de)二維權重(zhong)函數圖示(shi)
2解決電極(ji)粗糙度對(dui)測量影響(xiang)的方法
　　綜(zōng)上所述,電(dian)磁流量傳(chuán)感器在測(ce)量高雷諾(nuo)數流體時(shi),測量㊙️電極(ji)⛱️的粗糙度(dù)大于黏性(xing)底層的厚(hou)度,将會🥵對(dui)測量造成(cheng)很大的誤(wù)差。如果采(cai)用對電極(jí)的深加工(gōng)或者🥰改變(biàn)電極的原(yuán)料如采用(yòng)貴金屬等(děng)來減小粗(cū)糙度的方(fāng)法可以避(bì)免這種誤(wu)差,但是這(zhè)樣會增加(jia)電磁流量(liàng)計的制造(zao)成本,且如(rú)果被測流(liu)體含有☂️固(gu)體顆粒,固(gu)體顆粒對(duì)電極的撞(zhuàng)擊，仍然會(huì)加大電極(ji)的粗糙度(dù)。因此,提出(chu)了一-種新(xīn)的方法,來(lái)避免電極(ji)的粗糙度(dù)對流場的(de)影響。具體(tǐ)思路和方(fang)案如下:
　　對(dui)電磁流量(liàng)傳感器的(de)結構進行(háng)改造,把測(cè)量電極附(fù)近的🔅管道(dào)口徑加寬(kuan),寬度遠大(dà)于電極的(de)表面粗糙(cao)度,這樣測(cè)量🐕電極的(de)表面粗糙(cāo)度就可以(yǐ)不影響☂️管(guan)道流場,從(cóng)而避免電(dian)極表面粗(cū)糙度😄所引(yǐn)起的測量(liang)誤差。
　　改造(zao)原理具體(ti)體現爲:在(zai)電磁流量(liang)計傳感器(qi)測量管🚶‍♀️中(zhong)的電極改(gai)變爲由一(yī)段固體電(dian)極和一段(duan)液體🔴電極(ji)串疊🏃🏻組成(cheng)🔴,并由液體(tǐ)🌈電極部分(fèn)與測量管(guan)内待測液(yè)體相接觸(chu)。液體電♉極(ji)部分是管(guan)内通往對(duì)應固體電(dian)極.的💯充滿(man)導電性流(liú)體的管道(dào)加寬部分(fen)組成。液體(tǐ)電極的導(dao)電性流體(tǐ)🏃🏻‍♂️可以是待(dai)測流體灌(guàn)人管🔱道加(jia)寬部分所(suǒ)形成的液(ye)體。這樣,待(dai)測流體中(zhong)在測🏃🏻‍♂️量管(guǎn)内流動時(shi),其流場不(bú)直接受到(dao)電磁流量(liàng)計傳感器(qì)的測量電(dian)極表面粗(cu)糙度影響(xiang),同⚽時,測量(liang)管内待測(ce)流體産生(sheng)的感應電(diàn)勢可以通(tong)過液體電(diàn)極傳🧡輸到(dào)固體電極(ji)。電🎯磁流量(liàng)💋計轉換器(qì)的信号測(ce)量單✊元連(lián)接在固體(ti)電極,測量(liàng)🙇‍♀️待測液體(tǐ)流動所産(chǎn)生的🈲感應(ying)電勢信号(hao)。
　　應用CFD方法(fǎ)對流場進(jin)行數值仿(pang)真來驗證(zheng)該方法。在(zai)🛀🏻同樣的邊(bian)界條件和(hé)初始條件(jian)下,設定管(guǎn)道直徑爲(wèi)60miimn,流體介質(zhì)🥰爲水，平均(jun1)流速爲5m/s,雷(léi)諾數爲300000,對(duì)電極處的(de)管道口🙇🏻徑(jing)加寬,電極(jí)處粗糙度(dù)爲0,流速分(fèn)布雲圖如(ru)圖5所示;電(dian)極處的流(liú)場雲圖放(fang)大如圖6所(suo)示;對電極(ji)部分設定(dìng)粗糙度,此(ci)時電極處(chù)的流場圖(tu)如圖7所示(shi)。

　　對比圖6與(yǔ)圖7可以看(kan)出,在平均(jun)流速爲5m/s的(de)條件下,加(jia)寬電極處(chu)管道口徑(jing)後,測量電(dian)極附近的(de)流場基本(běn)不受電極(jí)表面粗糙(cāo)度的影響(xiǎng),這樣可以(yi)避免電極(ji)的表面🌈粗(cū)糙度對電(diàn)磁流量傳(chuán)感器測量(liàng)所造成的(de)誤差,從而(er)🥵證明了該(gāi)👄方案的可(ke)行性
3結論(lun)
　　該文研究(jiu)了電磁流(liú)量傳感器(qì)的電極粗(cū)糙度在對(dui)高雷諾數(shu)📐流體流場(chǎng)的影響,通(tong)過仿真直(zhi)觀的顯示(shi)出來⚽,并用(yong)權重函數(shu)理論闡明(míng)了這個影(ying)響會對電(diàn)磁流量傳(chuan)感器☂️的測(cè)量結果造(zào)成很大的(de)誤差。爲了(le)解決這個(gè)問題,提出(chū)了加寬電(dian)磁流量計(ji)電極附近(jìn)管道口徑(jìng),使其遠大(dà)于電極的(de)粗糙度🏃🏻‍♂️,電(diàn)磁流量計(jì)的測量電(dian)極就可以(yǐ)看做爲由(you)🈲一段固體(tǐ)電極和一(yī)段液體電(dian)極串疊組(zu)成,并由液(ye)體電極部(bu)分與測量(liàng)管📱内待測(cè)液體相接(jie)🎯觸。該方法(fǎ)可使被測(cè)流體的流(liú)場不受測(cè)㊙️量電極的(de)表💜面粗糙(cao)度的影響(xiang)。仿真結果(guǒ)💯表明，該方(fang)法有較好(hǎo)的可⚽行性(xìng),可以爲用(yòng)于高雷諾(nuò)數流體測(ce)量的電磁(cí)流量⭕傳感(gǎn)器研發提(ti)供--定的理(lǐ)論支撐。